W końcowej fazie procesu obróbki wykorzystuje się narzędzia z różnych materiałów. Mogą być stalowe lub z tworzyw sztucznych, w tych jednak trwale odkształcają się włókna, co powoduje, że narzędzia szybko się zużywają i uzyskane powierzchnie nie zawsze mają doskonałą jakość. Alternatywą są narzędzia ceramiczne, których głównym komponentem jest tlenek glinu, nazywany przez wielu „technologicznym arcydziełem”. Stosowany jest m.in. jako materiał ścierny oraz podczas produkcji materiałów ogniotrwałych.

Sama ceramika narzędziowa wykonywana jest metodą metalurgii proszków, nie zawiera jednak metalu wiążącego. Charakteryzuje się wysoką twardością oraz odpornością na zużycia, wysokie temperatury i ścieranie. Włókna ceramiczne nie odkształcają się także wzdłuż osi.

Biała, szara, czarna… specyfika ceramiki

Wyróżnia się pięć grup materiałów ceramicznych: ceramikę tlenkową (tzw. białą), ceramikę mieszaną, ceramikę azotkową (szarą), SiALON oraz ceramikę umocnioną whiskerami. Na przykład w narzędziach do obróbki wykończeniowej z dużymi prędkościami żeliwa szarego w stabilnych warunkach i bez chłodzenia wykorzystywana jest ceramika tlenkowa. Do wykańczającego toczenia żeliwa można zastosować gatunek pokrywanego azotku krzemu. Z kolei do lekkiej i ciągłej obróbki wykończającej przedmiotów hartowanych zaleca się ceramikę mieszaną.

Podstawowym składnikiem ceramiki tlenkowej – nazywanej również czystą ceramiką tlenkową – jest chemicznie i cieplnie stabilny tlenek glinu (korund). W celu ograniczenia rozrostu ziarna dodawane są w śladowych ilościach również inne tlenki, np. tlenek magnezu czy tlenek tytanu. Choć tlenek glinu ma wiele zalet, takich jak duża twardość w temperaturze pokojowej i podwyższonej czy duża odporność na zużycie ścierne i chemiczne, to jednak charakteryzuje się sporą kruchością i niewielką wytrzymałością, a także małą odpornością na szoki termiczne. Wytrzymałość i odporność tej ceramiki można zwiększyć nawet o 40% poprzez dokładne dozowanie dodatku tlenku cyrkonu. Płytki z ceramiki białej przeznaczone są do zgrubnej i średniodokładnej obróbki stali węglowej i niskostopowej oraz żeliwa o twardości do 350 HB.

Ceramikę mieszaną (czarną) otrzymuje się poprzez dodanie węglika tytanu i/lub azotku tytanu. Dzięki tym dodatkom zwiększa się twardość ceramiki (o ok. 10% w stosunku do ceramiki tlenkowej), ma ona też lepsze właściwości skrawne i wykazuje większą odporność na szoki termiczne. Ceramika mieszana sprawdza się w procesie toczenia wykańczającego i frezowania stali hartowanych, stopowych i żeliw utwardzonych.

Odporność na pękanie, wytrzymałość na zginanie i twardość można zwiększyć poprzez dodanie bardzo wytrzymałych whiskerów oraz tlenku cyrkonu. Dzięki tym dodatkom ceramika charakteryzuje się dużą odpornością na szoki termiczne i znajduje zastosowanie przy obróbce trudno skrawalnych stopów niklu.

Coraz częściej węgliki spiekane zastępuje się spiekanym azotkiem krzemu. Charakteryzuje się on wysoką wytrzymałością, dużą twardością i odpornością na utlenianie oraz dobrą przewodnością cieplną i odpornością na szoki termiczne. Na skutek dodatków niezbędnych w procesie spiekania (tlenek magnezu lub tlenek itru) w połączeniu z warstewką tlenków krzemu pokrywających cząstki azotku krzemu powstaje tzw. faza szklista. Ułatwia ona spiekanie, jednak może też prowadzić do szybkiego stępienia ostrza.

Ostatnią grupą materiałów ceramicznych jest SiALON, czyli materiał będący roztworem stałym tlenku aluminium w azotku krzemu o strukturze tetragonalnej. Ma on właściwości mechaniczne i fizyczne zbliżone do azotku krzemu, jednak charakteryzuje się niższym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej i większą odpornością na wstrząsy termiczne. Ma również większą odporność na utlenianie.

Ceramika w obróbce wykańczającej

Obróbce wykańczającej powinny zostać poddane przede wszystkim silnie obciążone i narażone na zużycie elementy maszyn. Odgrywa ona też istotną rolę w przypadku metalowych elementów wykorzystywanych do dekoracji wnętrz. Do obróbki takiej można wykorzystać narzędzia ceramiczne, które sprawdzają się w polerowaniu powierzchni, szczotkowaniu, gratowaniu i szlifowaniu dekoracyjnym.

Celem szlifowania – polegającego na usuwaniu cienkiej warstwy metalu – jest nadanie obrabianemu elementowi odpowiedniego kształtu, dokładności wymiarowej i chropowatości powierzchni. Polerowanie prowadzi do nadania powierzchni żądanej gładkości. Szczotkowanie z kolei, stanowiące kolejny ścierny proces wykończeniowy, ma za zadanie wydobycie struktury powierzchni. Celem gratowania zaś jest usunięcie tzw. gratów, czyli ostrych pozostałości materiałów.

Ostateczny efekt każdego rodzaju obróbki wykańczającej zależy od wielu czynników, w tym m.in. od rodzaju obrabianego materiału, typu ścierniwa, sposobu jego utrzymywania, liczby operacji wykończeniowych i użytych narzędzi.

Narzędzia szlifujące

Do szlifowania płaszczyzn i otworów, ostrzenia narzędzi i szlifowania cylindrycznego można wykorzystać ściernice ceramiczne. Ich atutem jest to, że podczas szlifowania występuje zjawisko ich samoostrzenia. Sprawdzają się w pracy z materiałami twardymi i przeznaczonymi do „zimnego szlifowania”. Metale kolorowe i tworzywa sztuczne szlifuje się za pomocą ściernic ceramicznych z węglika krzemu, zwłaszcza węglika zielonego, który jest twardszy i bardziej kruchy niż ziarna elektrokorundów. Z kolei do obróbki metali niezależnych, gumy, kamienia, ceramiki i żeliwa szarego przeznaczone są ściernice z węglikiem krzemu czarnym, który jest twardy i niekruchy.

Spoiwa ceramiczne stosowane są także w innowacyjnych narzędziach ściernych przeznaczonych do szlifowania materiałów trudnoskrawalnych. Dzięki znacznej twardości i kruchości spoiwa ceramiczne zapewniają łatwość kształtowania profilu ściernicy, a także jej obciąganie bezpośrednio w obszarze roboczym szlifierki. Również do szlifowania dużych form i matryc nadają się segmenty ścierne z kombinacją ziarna ceramicznego. Opracowano na przykład segmenty ścierne z elektrokorundem, które idealnie sprawdzają się w szlifowaniu materiałów wrażliwych na przegrzanie przy zastosowaniu niewysilonych parametrów szlifierskich. Bardzo kruche ziarno ścierne pozwala bowiem na szlifowanie bez przypaleń.

W porównaniu do ściernic konwencjonalnych te ceramiczne wykazują zwiększoną wydajność jednostkową, zapewniają chłodne szlifowanie bez przypaleń, umożliwiają większą kontrolę wymiarów materiału i pozwalają na skrócenie ogólnego czasu obróbki. Obniżają też prawdopodobieństwo powstania uszkodzeń termicznych materiału oraz szkodliwych naprężeń powierzchniowych i charakteryzują się bardzo niską podatnością na nadmierne zapychanie powierzchni ściernicy. Dzięki spoiwom ceramicznym uzyskuje się narzędzia o dużej porowatości, co ma szczególne znaczenie w przypadku obróbki materiałów z długimi ciągliwymi wiórami.

Pilniki i szczotki

Także w procesie polerowania wykorzystuje się narzędzia ceramiczne, w tym m.in. pilniki wykończeniowe. Wykonane z włókien ceramicznych (o strukturze krystalicznej naprzemiennej) produkowanych metodami chemicznymi stosowane są do obróbki ręcznej lub obróbki z wykorzystaniem urządzeń pneumatycznych, elektrycznych bądź ultradźwiękowych. Mogą być używane przy wszystkich rodzajach materiałów, nawet tych najtwardszych.

Do polerowania, szlifowania i dokładnego gratowania nadają się szczotki z włókien ceramicznych. Proces ścierania jest tu ulepszony ze względu na samoostrzące się krawędzie ostrza. Włókna ceramiczne mają również wyjątkowo dobre właściwości ścierne i utrzymują swój kształt nawet po wielokrotnym użyciu. W procesie gratowania wykorzystywane są też gratowniki z wyjątkowo twardym ostrzem ceramicznym. Te przeznaczone do obróbki tworzyw sztucznych i miękkich metali narzędzia są bardzo twarde i odporne na zużycie, dlatego idealnie nadają się do usuwania zadziorów na obrabianych przedmiotach. Dzięki nim m.in. można wygładzać krawędzie, miejsca wtrysku tworzywa do formy oraz linie podziału wtryskiwanych elementów.

To tylko kilka przykładów zastosowania narzędzi ceramicznych w obróbce wykańczającej. Ze względu na ich właściwości mogą być wykorzystywane do obróbki elementów o różnych kształtach i z różnych materiałów. Narzędzia te charakteryzują się przede wszystkim trwałością i odpornością. Wielokrotnie potwierdzono też, że umożliwiają skrócenie czasu obróbki, stanowią więc dobrą konkurencję dla narzędzi wykonanych z innych materiałów.

MM INFO

Cermetale to spojone metalami cząstki ceramiczne na bazie węglika tytanu i azotku tytanu. Wytwarzane są również metodami metalurgii proszków. Cermetale łączą właściwości metali (m.in. odporność na udary cieplne) z własnościami ceramiki (np. odporność na korozję). W porównaniu z konwencjonalnymi węglikami charakteryzują się mniejszą gęstością, większą odpornością chemiczną, odpornością na utlenianie i lepszą wytrzymałością cieplną. Kompozyt ten łączy najwyższą odporność na zużycie z największą ciągliwością, zachowując przy tym obojętność chemiczną wobec materiału obrabianego. Ostrza cermetalowe są stosowane do obróbki przedmiotów ze stali niestopowych i wysokostopowych (w tym nierdzewnych i kwasoodpornych) oraz żeliw sferoidalnych i żeliwa ciągliwego. W obróbce wykańczającej dzięki cermetalom można uzyskać długą trwałość narzędzia i wąskie tolerancje. Ze względu na niski współczynnik tarcia cermetale stosowane są jako powłoki zabezpieczające przed zużyciem ciernym. Wykorzystywane są na ostrzach skrawających, łopatach turbin mechanicznych, poszyciach kadłubów i w elementach aparatury elektrotechnicznej. Z cermetalu coraz częściej produkowane są również elementy tarciowe w silnikach, szczególnie w pojazdach wojskowych. Na przykład z tego kompozytu wyprodukowano elementy cierne do prototypu silnika zaprojektowanego przez Isuzu (o pojemności 1,6 l oraz mocy 295 KM) oraz do prototypu 6-cylindrowego silnika diesla (o pojemności 14 l i mocy 170 KM), zaprojektowanego przez US Army Tank Automotive.